Kwasy karboksylowe.

Kwasy karboksylowe to związki organiczne, pochodne węglowodorów, w cząsteczce których znajduje się jedna lub więcej grup karboksylowych.

Grupa karboksylowa to grupa funkcyjna złożona z dwóch grup funkcyjnych, karbonylowej (C=O) z grupą hydroksylową (OH). Jest silnie polarna. Taka budowa kwasów ma bardzo duży wpływ na tworzenie wiązań wodorowych i to zarówno pomiędzy cząsteczkami tego samego kwasu, jak i z cząsteczkami innych rozpuszczalników protonowych – woda, alkohole. Oddziaływania pomiędzy cząsteczkami kwasu są tak silne, że większość z nich występuje w postaci dimerów.

-COOH

Wzór ogólny kwasów monokarboksylowych (posiadających jedną grupę karboksylową):

R - COOH

gdzie:

R - to alkil (grupa węglowodorowa uzyskana z cząsteczki węglowodoru po odłączeniu od niej jednego atomu wodoru)

Podział kwasów karboksylowych

Kwasy karboksylowe można podzielić, w zależności od budowy reszty węglowodorowej na:

- kwasy alifatyczne (nasycone i nienasycone),

- cykloalifatyczne

- aromatyczne.

W zależności od ilości grup karboksylowych kwasy dzielimy na:

- monokarboksylowe, np.: kwas metanowy (mrówkowy) HCOOH

- dikarboksylowe , np.: kwas etanodiowy (szczawiowy) HOOC-COOH,

- trilokarboksylowe, itd.

Nazewnictwo

Nazwy systematyczne kwasów karboksylowych tworzy się od nazwy węglowodoru, który ma w cząsteczce tą samą liczbę atomów węgla dodając końcówkę -owy

Kwasy karboksylowe tworzą szereg homologiczny.

W nazewnictwie kwasów karboksylowych przyjmuje się nazwy zwyczajowe, wywodzące się najczęściej od nazwy miejsca ich występowania.

Wzory i nazwy niektórych kwasów:

Wzór kwasu Nazwa systematyczna Nazwa zwyczajowa

HCOOH kwas metanowy kwas mrówkowy

CH3COOH kwas etanowy kwas octowy

C2H5COOH kwas propanowy kwas propionowy

C3H7COOH kwas butanowy kwas masłowy

C5H11COOH kwas pentanowy kwas walerianowy

C15H31COOH kwas heksadekanowy kwas palmitynowy

C17H35COOH kwas oktadekanowy kwas stearynowy

C17H33COOH kwas cis-9-oktadecenowy kwas oleinowy

Otrzymywanie kwasów karboksylowych

Reakcje utleniania

Największe znaczenie praktyczne przy otrzymywaniu kwasów karboksylowych ma utlenianie alkoholi pierwszorzędowych. Dość istotne znaczenie ma również utlenianie alkilowych pochodnych benzenu czy tez utleniające rozszczepienie wiązania C=C w alkenach. Do powstania kwasów karboksylowych prowadzi także utlenianie aldehydów.

Utlenianie alkoholi pierwszorzędowych

Utleniając alkohole do kwasów karboksylowych jako środek utleniający stosuje się zazwyczaj tlenowe związki chromu (VI) i manganu (VII), np.: K2Cr2O7, KMnO4.

Reakcje hydrolizy

Kwasy karboksylowe można także otrzymać w reakcji odwrotnej do tworzenia ich pochodnych, a więc w wyniku hydrolizy pochodnych kwasów karboksylowych, takich jak: estry, bezwodniki, chlorki kwasowe.

Właściwości kwasów karboksylowych

Kwasy karboksylowe są mało lotne. Wraz ze wzrostem wielkości cząsteczki wzrastają temperatury topnienia i wrzenia kwasów karboksylowych. Wszystkie kwasy łatwo krystalizują.

Kwasy zawierające od 1 do 4 atomów węgla w czasteczce mieszają się z wodą w każdym stosunku, a zawierające do 12 atomów węgla w czasteczce, rozpuszczają się dobrze w alkoholu.

Niższe kwasy karboksylowe są cieczami o ostrym zapachu, kwasy o średniej wielkości są oleistymi cieczami o przykrej woni, a kwasy długołańcuchowe ciałami stałymi lub cieczami w zależności od stopnia nienasycenia.

Kwasy karboksylowe są aktywnymi chemicznie związkami, a ich właściwości chemiczne wynikają z obecności grupy karboksylowej.

Niższe kwasy karboksylowe ulegają reakcji dysocjacji, np.:

CH3COOH --> CH3COO- + H+

1 cząsteczka kwasu octowego dysocjuje na 1 anion octanowy i 1 kation wodorowy.

Wyższe kwasy karboksylowe nie ulegają dysocjacji.

Aktywność chemiczna kwasów maleje ze wzrostem długości łańcucha węglowego.

Kwasy karboksylowe reagują z zasadami, tlenkami metali i metalami tworząc sole.

Reakcja z zasadami, np.:

CH3COOH + NaOH --> CH3COONa + H2O

W reakcji kwasu octowego z zasadą sodową powstaje octan sodu i woda.

Wyższe kwasy - tłuszczowe, w reakcji z zasadami, tworzą sole nazywane mydłami, np. mydło sodowe - stearynian sodu:

C17H35COOH + NaOH --> C17H35COONa + H2O

Reakcja z tlenkami metali, np.:

2 HCOOH + CuO --> (HCOO)2Cu + H2O

W reakcji kwasu mrówkowego z tlenkiem miedzi (II), powstaje mrówczan miedzi (II) i woda.

Reakcja z metalami, np.:

CH3COOH + Mg --> (CH3COO)2Mg + H2

W reakcji kwasu octowego z magnezem, powstaje octan magnezu i wodór.

Grupę hydroksylową karboksylu można dość łatwo zastąpić chlorem, grupą aminową bądź resztą alkoholową otrzymując chlorki kwasowe, amidy i estry.

W reakcji kwasu octowego z chlorkiem fosforu (V), otrzymujemy chlorek acetylu i kwas fosforowy (III): CH3COOH + PCl5 --> CH3COCl + H3PO3

Działając amniakiem na chlorek acetylu (chlorek kwasu octowego), otrzymujemy amid kwasu octowego - acetamid:

CH3COCl + NH3 --> CH3CONH2

Działając alkoholem metylowym na kwas octowy, otrzymujemy ester - octan metylu:

CH3COOH + CH3OH --> CH3COOCH3 + H2O

Kwasy krboksylowe ulegają dehydratacji - odłączeniu czasteczki wody. W wyniku reakcji powstają bezwodniki kwasów, np.:

w wyniku odłączenia cząsteczki wody od dwóch cząsteczek kwasu octowego, otrzymujemy bezwodnik kwasu octowego:

CH3COOH + HOOCH3C --> CH3COOCH3C + H2O

Szczególnie łatwo ulegają tej reakcji kwasy dikarboksylowe.

Niektóre właściwości wybranych kwasów

Kwasy karboksylowe ze względu na swoje właściwości znalazły szerokie zastosowanie zarówno w życiu codziennym, jak i w różnych gałęziach przemysłu. Przyjrzyjmy się bliżej właściwościom i zastosowaniu niektórych z nich.

Kwas mrówkowy jest bezbarwnA cieczą o ostrym zapachu.

Ukąszenie pszczół, mrówek i komarów oraz oparzenie pokrzywą powoduje wniknięcie tego kwasu w skórę i pieczenie.

Kwas mrówkowy stosuje się w przemyśle farbiarskim, garbarstwie oraz w syntezie innych związków organicznych. W przemyśle farmaceutycznym jest dodatkiem do maści przeciwreumatycznych.

Kwas octowy a właściwie jego wodny roztwór zwany potocznie octem, znany był już w starożytności. Ocet otrzymuje się przede wszystkim podczas fermentacji octowej. W zależności od rodzaju użytego surowca, który jest poddawany fermentacji, rozróżnia się ocet spirytusowy, owocowy, słodowy i winny. Fermentację octową wywołują bakterie z rodzaju Acetobacter. Taki ocet stosowany jest przede wszystkim w gospodarstwie domowym jako przyprawa i środek konserwujący, a także w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym.

W przemyśle chemicznym używa się kwasu octowego otrzymywanego w wyniku syntezy. Znajduje on zastosowanie między innymi w produkcji różnych tworzyw sztucznych.

Kwasy tłuszczowe reszty kwasowe tych związków są głównym składnikiem tłuszczów zwierzęcych i roślinnych. Coraz częściej można przeczytać lub usłyszeć, że spożywanie dużej ilości tłuszczów, które są pochodnymi nasyconych kwasów tłuszczowych jest przyczyną choroby wieńcowej serca i miażdżycy naczyń krwionośnych.

Zaleca się, aby nasycone kwasy tłuszczowe stanowiły mniej niż 10% zapotrzebowania energetycznego organizmu.

Kwasy karboksylowe zawierają w cząsteczce charakterystyczną grupę karboksylową. Obecność tej grupy powoduje, że tworzą one bardzo silne wiązania wodorowe, przez co większość z nich występuje w postaci dimerów. Charakterystyczną właściwością tych związków jest kwasowość, są one jednak słabszymi kwasami niż kwasy mineralne. Kwasy karboksylowe można zredukować do alkoholi pierwszorzędowych. Bardzo ważną grupę związków stanowią tzw. pochodne kwasów karboksylowych, do których zalicza się: estry, chlorki kwasowe, bezwodniki kwasowe oraz amidy.

Źródło:

J. Kulawik, T. Kulawik, M. Litwin: Chemia Nowej Ery podręcznik dla gimnazjum cz. 3

http://open.agh.edu.pl/mod/resource/view.php?id=609

http://www.gim1.miasto.zgierz.pl/uczen/chemia/lekcja/karoksyl.html

http://zadane.pl/wypracowanie/Zastosowanie_kwasow_karboksylowych-25420